CN110601221A - 多电压源型变换器接入中压直流系统的电压稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多电压源型变换器接入中压直流系统的电压稳定控制方法，主要包括虚拟阻容性阻抗重构、直流侧电流前馈、VSC直流端口电压控制和交流端口电流控制四个部分。VSC采用直流电压下垂控制来调节直流输出电压时，其输出阻抗会在电压控制带宽外呈现负阻性。通过虚拟阻容性阻抗，重构多个VSC直流端口输出阻抗特性，使得VSC输出阻抗在电压控制带宽外保持较大的正阻性，补偿系统在电压控制带宽外的负阻尼，抑制中压直流系统电压振荡。在虚拟阻容性阻抗的基础上，引入直流输出电流前馈。VSC直流端口电压控制采用比例积分控制，交流端口电流控制为同步旋转坐标系下的解耦控制。本发明可抑制直流系统的振荡的同时增强直流系统的惯性，实现母线电压的稳定控制。

Description

多电压源型变换器接入中压直流系统的电压稳定控制方法

技术领域

本发明涉及中压直流系统控制领域，特别是以电压源型变换器为主导的中 压直流系统，多个电压源型变换器共同控制直流系统母线电压的电压稳定控制方 法。

背景技术

中压直流系统具有效率高，且不存在频率、无功功率相关问题等优点，在海 岛供电、多电飞机、舰船、海底供电等军事和工业领域有良好的应用前景，是当 前的研究热点之一。直流母线电压是衡量直流系统安全与稳定运行的关键，但直 流系统中含有大量的电力电子变换器，恒功率负载的负阻抗特性、各变换器之间 的相互作用、有功功率的变化都会引起母线电压波动，甚至发生振荡失稳现象， 严重影响了中压直流系统稳定运行

恒功率负载的负增量阻抗特性，会导致系统动态特性变差，甚至引起系统电 压振荡，是影响直流电网电压稳定的主要因素之一。线路阻抗和变换器直流端口 的滤波电容也是影响直流系统稳定的重要因素，其构成的LC滤波环节会促进源 变换器侧的输出阻抗并与恒功率负载等效阻抗的交互，引起系统失稳。在直流系 统中，通过修正负载变换器的输入阻抗或源变换器的输出阻抗可解决这类由恒功 率负载变换器造成的不稳定问题，有无源和有源等方法。无源方法利用电阻、电 感或电容等元件构成无源阻尼支路来调整系统阻尼，但会带来额外的功率损耗并 增加装置体积。有源方法则通过电流或电压的控制，在系统中等效出阻尼支路。 目前，大多的有源方法主要是通过调节负载转换器的输入阻抗来提高互联系统的 稳定性，但这会牺牲负载的动态性能。

引入虚拟电阻来调节源变换器的输出阻抗，既保证负载动态性能又增加了系 统阻尼。下垂控制等效于在源变换器输出端串联虚拟电阻，可以提升系统阻尼并 抑制电压振荡，且在多台源变换器并联时能够实现功率自动分配，是直流系统控 制中常见的控制方法。然而，下垂控制虽然降低了输出阻抗在电压环控制带宽内 的幅值，抑制了低频振荡，但无法处理电压环控制带宽外的振荡问题。而在多 VSC((Voltage Source Converter,VSC))经下垂控制作为源变换器的中压直流系 统中，现有基于电压下垂控制的直流系统稳定性与稳定控制方法很少涉及控制带 宽、线路等效电感、滤波电容、变换器控制参数等因素对系统稳定性的影响。因 此传统的下垂控制或虚拟电阻稳定控制不适用于多电压源型变换器接入的中压 直流系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种多电压源型 变换器接入中压直流系统的电压稳定控制方法，通过虚拟阻容性阻抗，将多个 VSC直流端口输出阻抗在电压控制带宽外的负阻抗调整为正阻抗，校正中压直 流系统阻尼并增强直流端口惯性，稳定直流系统电压。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种多电压源型变换器 接入中压直流系统的电压稳定控制方法，适用于中压直流系统中多个电压源型变 换器共同控制直流系统母线电压，包括以下步骤：

1)采集各VSC直流端口电流i_o并与电流参考值作差，得到的差值乘以虚拟 阻容性阻抗Z_d(s)作为虚拟阻抗输出调节量，VSC直流端口空载电压指令 值减去虚拟阻抗输出调节量得到加入虚拟阻容性阻抗后VSC直流端口电 压指令值

2)采集VSC直流端口电压v_dc并与加入虚拟阻容性阻抗后的电压指令作 差，该差值与VSC直流端口电压控制PI调节器G_v(s)相乘得到交流电流 幅值控制指令

3)VSC直流端口电流i_o与直流侧电流前馈调节器G_f(s)相乘得到有功电流前 馈调节指令与交流电流幅值控制指令相加得到交流有功电流控制 指令另根据无功需求，设定无功电流控制指令

4)采集该VSC交流侧电流并计算得到有功电流值I_d和无功电流值I_q，分别 与有功电流和无功电流值作差并经过电流解耦PI控制及坐标变换得到三 相调制波，根据该调制波经PWM调制得到该VSC各功率开关管的驱动 信号。

步骤1)中，虚拟阻容性阻抗重构的VSC直流端口电压控制方程为： 其中V_dcn为直流电压初始设定值，I_set为直流端口电流参考值， k为调节系数，虚拟阻容性阻抗为Z_d(s)＝R_v+1/(sC_v)，R_v为虚拟电阻值，C_v为虚 拟电容值，s为复频率。

步骤2)中，PI控制器的传递函数G_v(s)表达式为：G_v(s)＝k_vp+k_vi/s；其中， k_vp是PI控制器的比例系数，k_vi是PI控制器的积分系数。

步骤3)中，电流前馈调节器G_f(s)的传递函数表达式为：其中V_dc和V_d分别为直流端口电压稳态值和交流 电压幅值，L_c和R_c为交流滤波电感及等效电阻，G_i(s)＝k_{p_i}+k_{i_i}/s为VSC电流PI 内环传递函数。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

1、本发明的多电压源型变换器接入中压直流系统的电压稳定控制方法，利 用直流电流在各VSC直流端口输出阻抗中虚拟阻容性阻抗，使得VSC在电压控 制带宽外保持较大的正阻尼，从而提高系统阻尼，抑制直流侧振荡。

2、虚拟的容性阻抗与电流前馈结合可以增强系统的惯性，提升母线电压抗 负载波动的能力。VSC直流端口电压控制采用比例积分控制，能够保证对直流 电压指令的无差跟踪，交流端口同步旋转坐标系下的电流解耦控制，实现VSC 交流电流的高品质控制。

附图说明

图1为本发明所提及多电压源变换器接入的中压直流系统结构图；

图2为本发明一实施例应用于多电压源型变换器接入中压直流系统的电压 稳定控制方法框图；

图3为本发明一实施例电压源型变换器虚拟阻容性输出阻抗重构等效电路 图；

图4为1台VSC采用常规直流电压下垂控制直流母线电压，接入1台恒功 率负载时直流侧电压与电流随负载功率变化的仿真波形；

图5为1台VSC采用本发明所提及电压稳定控制方法控制直流母线电压， 接入1台恒功率负载时直流侧电压与负载功率变化的仿真波形。

具体实施方式

图1为本发明一实施例多电压源变换器接入的中压直流系统结构图，包括 交流电网、电压源变换器VSC#j(j为编号，j＝1,2,…,n)，各VSC的输入滤波电 感L_c,j、直流侧电容C_dcj、接入中压直流母线的线路电阻R_j和电感L_j，中压直流 母线，恒功率负载CPL#j和其他负载，各恒功率负载接入中压直流母线的线路 电感L_e,j、线路电阻R_e,j和输入电容C_e,j。所述恒功率负载包括控制输出电压的直 流变换器DC/DC和交流变换器DC/AC。在本实施例中，各参数如下：L_c,j＝1.2mH， C_dcj＝C_e,j＝2mF，L_j＝L_e,j＝0.159mH/km，R_j＝R_e,j＝0.0139Ω/km，线路长度1km。

图2为本发明一实施例多电压源型变换器接入中压直流系统的电压稳定控 制方法框图，电压源型变换器电压稳定控制方法包括虚拟阻容性阻抗重构、直流 侧电流前馈、VSC直流端口电压控制和交流端口电流控制四个部分。

本发明的一种多电压源型变换器接入中压直流系统的电压稳定控制方法如 下：

1)采集VSC直流端口电流i_o、直流端口电压v_dc、三相交流电流i_ca、i_cb、 i_cc和三相电网电压v_sa、v_sb、v_sc，并送入VSC控制器；

2)控制器对步骤1)所采集得到的三相电网电压v_sa、v_sb、v_sc锁相，得到三 相电压同步相位角将电网电压v_sa、v_sb、v_sc和交流电流i_ca、i_cb、i_cc旋转变换至dq坐标系下的d轴和q轴分量v_d、v_q和交流电流的d轴和q 轴分量i_d、i_q，具体公式如下：

3)直流端口电流i_o与电流参考值I_set作差，得到的差值乘以虚拟阻容性阻 抗Z_d(s)作为虚拟阻抗输出调节量，VSC直流端口空载电压指令值减去 虚拟阻抗输出调节量得到加入虚拟阻容性阻抗后VSC直流端口电压指 令值VSC直流端口电压控制方程为：

V_dcn为直流电压初始设定值，I_set为直流端口电流初始设定值，k为 调节系数，虚拟阻容性阻抗为Z_d(s)＝R_v+1/(sC_v)，R_v为虚拟电阻值， C_v为虚拟电容值。该虚拟阻抗可等效为一个低通滤波环节，根据系 统动态响应时间和稳定裕度确定截止频率ω_c，ω_c＝1/(R_v*C_v)；R_v过 大时会影响VSC下垂控制效果，因此其取值需远小于k。在本实施 例中，V_dcn＝10600V，I_set＝0，0.2≤k≤0.3，ω_c>8rad/s，R_v≤k/20，依 据ω_c和R_v，即可求得C_v。引入虚拟阻容性阻抗后能校正VSC直 流端口输出阻抗在电压控制带宽外的等效输出阻抗为正阻抗；虚拟 阻容性阻抗重构引入了虚拟电容，其与直流侧电流前馈控制可以提 升直流端口惯性。

4)将直流侧电压外环的参考指令和直流母线电压v_dc相减得到误差值送 入PI控制器，PI控制器的输出经限幅后，VSC交流电流幅值控制指令 PI控制的传递函数G_v(s)表达式为：

G_v(s)＝k_vp+k_vi/s

其中，k_vp是PI控制器的比例系数，其取值范围为0.2≤k_vp≤2，k_ii是PI控制器的积分系数，其取值范围为50≤k_vi≤400，s为复频率；

5)直流端口电流i_o与直流侧电流前馈调节器G_f(s)相乘得到有功电流前馈 调节指令与交流电流幅值控制指令相加得到交流有功电流控制 指令根据无功需求设定无功电流控制指令电流前馈调节器G_f(s) 的传递函数表达式为：

其中V_dc和V_d分别为直流端口电压稳态值和交流电压幅值，L_c和 R_c为交流滤波电感及等效电阻，G_i(s)＝k_ip+k_ii/s为VSC电流内环PI 控制器的传递函数，其取值范围为10≤k_ip≤30，k_vi是PI控制器的 积分系数，其取值范围为10≤k_ii≤10000，本实施例中无功电流控制指令设置为0。

6)将无功电流控制指令有功电流控制指令分别与交流电流i_q、i_d相 减得到差值，通过解耦控制与坐标变换得到三相调制波，根据该调制 波经PWM调制得到各VSC各功率开关管的驱动信号。

图3为采用本发明控制方法时，系统的等效电路图。其中，Z_dcr为VSC采 用传统下垂控制时，VSC的等效输出阻抗，G_VSC为VSC控制环节的等效传递函 数，R_dc为传输线路上的等效电阻，L_dc为传输线路上的等效电感，C_eq为负载的 等效输入电容，i_eq为负载的等效输入电流，R_L为负载的等效输入电阻，I_L为负 载所对应的等效受控电流源。由图可知，本发明所提方法可以调节VSC的输出 阻抗，增加直流系统的阻尼进而提升系统的稳定性。

图4为本发明一实施例在1台VSC采用常规直流电压下垂控制直流母线电 压为负载供电时，VSC直流侧电压v_dc与输出电流i_o随负载功率变化的仿真波形。 在0.8s之前，VSC的输电功率P为5MW，此时整个系统很稳定。在0.8s之后， VSC的输电功率P增加到10MW，此时VSC输出电压v_dc出现振荡，输出电流 i_o和传输功率P出现大幅度波动，VSC无法继续向负载供电。因此采用传统直流 电压下垂控制时，系统稳定性较差。

图5为本发明一实施例在1台VSC采用本发明控制方法为负载供电时，VSC 直流侧电压v_dc与输出电流i_o随负载功率变化的仿真波形。在0.8s之前，VSC的 输电功率P为5MW，此时整个系统很稳定。在0.8s之后，VSC的输电功率P 增加到10MW，此时VSC输出电压v_dc维持稳定，系统能够稳定运行。同时，在 在传送功率增加的时候，直流电压波动较小，动态变化变得平滑。因此采用本发 明控制方法时，系统稳定性与惯性得到了提升。

Claims (8)

1.一种多电压源型变换器接入中压直流系统的电压稳定控制方法，适用于中压直流电网系统中控制母线电压的多个VSC，其特征在于，包括以下步骤：

1)采集各VSC直流端口电流i_o并与直流端口电流参考值I_set作差，得到的差值乘以虚拟阻容性阻抗Z_d(s)作为虚拟阻抗输出调节量，VSC直流端口空载电压指令值加上虚拟阻抗输出调节量得到加入虚拟阻容性阻抗后VSC直流端口电压指令值采集各VSC直流端口电压v_dc并与加入虚拟阻容性阻抗后的电压指令作差，该差值与VSC直流端口电压控制PI调节器G_v(s)相乘得到各VSC交流电流幅值控制指令

2)各VSC直流端口电流i_o与直流侧电流前馈调节器G_f(s)相乘得到有功电流前馈调节指令 与电压环输出的交流电流幅值控制指令相加，得到前馈补偿后的交流有功电流控制指令另外根据无功需求，设定无功电流控制指令

3)采集各VSC交流侧电流并计算得到有功电流值I_d和无功电流值I_q，分别与前馈补偿后的交流有功电流控制指令和无功电流控制指令作差，两项差值分别经2个电流解耦PI控制及坐标变换后得到三相调制波，根据该调制波经PWM调制得到各VSC各功率开关管的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的多电压源型变换器接入中压直流系统的电压稳定控制方法，其特征在于，VSC直流端口电压指令值的计算公式为：其中V_dcn为直流电压初始设定值，I_set为直流端口电流参考值，k为调节系数，虚拟阻容性阻抗为Z_d(s)＝R_v+1/(sC_v)，R_v为虚拟电阻值，C_v为虚拟电容值。

3.根据权利要求2所述的多电压源型变换器接入中压直流系统的电压稳定控制方法，其特征在于，V_dcn＝10600V，I_set＝0，0.2≤k≤0.3，ω_c>8rad/s。

4.根据权利要求2所述的多电压源型变换器接入中压直流系统的电压稳定控制方法，其特征在于，R_v≤k/20。

5.根据权利要求1所述的多电压源型变换器接入中压直流系统的电压稳定控制方法，其特征在于，PI调节器G_v(s)表达式为：G_v(s)＝k_vp+k_vi/s；其中，k_vp是PI控制器的比例系数，k_ii是PI控制器的积分系数。

6.根据权利要求5所述的多电压源型变换器接入中压直流系统的电压稳定控制方法，其特征在于，0.2≤k_vp≤2；50≤k_vi≤400。

7.根据权利要求1所述的多电压源型变换器接入中压直流系统的电压稳定控制方法，其特征在于，直流侧电流前馈调节器G_f(s)的传递函数表达式为：其中V_dc和V_d分别为直流端口电压稳态值和交流电压幅值，L_c和R_c为交流滤波电感及等效电阻，G_i(s)＝k_ip+k_ii/s为VSC电流PI内环传递函数；k_ip是PI内环传递函数的比例系数，k_ii是PI内环传递函数的积分系数。

8.根据权利要求7所述的多电压源型变换器接入中压直流系统的电压稳定控制方法，其特征在于，10≤k_ip≤30，10≤k_ii≤10000。